【经验】2-Step RACH的基本介绍

在LTE以及5G Release 15中，UE和网络侧是通过Msg1/2/3/4完成交互（基于竞争的随机接入），实现UE入网，在最新的协议中，这一过程又叫4-Step RACH。为了进一步优化UE接入的流程，降低时延，减少额外的信令开销，5G Release 16定义了2-Step RACH，也就是UE和网络侧只需要MsgA和MsgB即可完成随机接入。

1. 4-Step RACH介绍

在介绍2-Step RACH之前，有必要先来回顾一下4-Step RACH的内容。

4-Step RACH包含了CBRA（Contention-Based Random Access，基于竞争的随机接入）和CFRA（Contention-Free Random Access，基于非竞争的随机接入）。其中，CBRA主要用于初始RRC连接建立、RRC连接重建，以及从RRC Inactive或者RRC Idle恢复到RRC Connected状态等，而CFRA一般常用于小区间的切换或者UE定位，在5G中，CFRA还用于NSA下，UE在连上LTE后去聚合NR载波。

1.1 基于竞争的随机接入

这里以UE初始接入来介绍一下CBRA基于竞争的随机接入的内容。

1.1.1 Msg1

UE从preamble pool中随机选择一个在PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）上发起基于竞争（Contention-Based）的随机接入，因此可能会存在多个不同的UE在相同时间选择相同的preamble发起随机接入。

UE在发送preamble之后，会计算与PRACH occasion相关联的RA-RNTI，以便接收对应RA-RNTI的RAR（Random Access Response，随机接入响应），其计算公式如下所示：

RA-RNTI= 1 + s_id + 14 × t_id + 14 × 80 × f_id + 14 × 80 × 8 × ul_carrier_id

其中：

• s_id是PRACH occasion的第一个OFDM符号的索引(0 ≤ s_id < 14)；

• t_id是系统帧中PRACH occasion的第一个时隙的索引(0 ≤ t_id < 80)；

• f_id是频域中的PRACH occasion的索引(0 ≤ f_id < 8)；

• ul_carrier_id是用于preamble传输的UL载波(0表示普通上行载波，1表示SUL载波)。

此外，UE的preamble实际发射功率主要由网络侧下发RRC层的SIB消息指示。

其中：

• preambleReceivedTargetPower，UE用于传输preamble的初始功率；

• preambleTransMax是preamble的最大发送次数。如果初始接入过程失败，但是还没有达到最大尝试次数preambleTransMax，则可以继续传输preamble，如果达到最大次数，则本次随机接入过程结束；

• powerRampingStep是每次接入失败后，UE下次接入时提升的发射功率。在这个过程中采用的是开环功控的方式，如果上一次Msg1发送失败，则UE在下一次增加发射功率，以提高接入成功率。

关于preamble的其他知识：

在LTE和5G NR中，每个小区总共有64个可用于随机接入的preamble序列，一部分用于CBRA，另一部分则用于CFRA，具体可用于CBRA的preamble数是通过SIB消息中的totalNumberOfRA-Preambles来知会UE。

用于CBRA的preamble序列又可以分为group A和group B，group A preamble的数目通过SIB消息中的numbuerOfRA-PreamblesGroupA指示。当然，如果numbuerOfRA-PreamblesGroupA和totalNumberOfRA-Preambles相等的话，就说明该小区不存在group B的preamble。

而group A和group B中preamble序列的区别主要是用于传输Msg3信息的大小，UE通过选择group A或者group B中的preamble，收到Msg1的网络侧就可以知道需要给UE分配多少资源用于传输Msg3。

1.1.2 Msg2

UE发送了preamble之后，将在RA response window持续地内监听PDCCH（携带DCI format 1_0，用RA_RNTI加扰)，以接收RAR（Random Access Response，随机接入响应）。如果在RAR时间窗内没有接收到网络侧回复的RAR，则认为此次随机接入过程失败。

RAR时间窗由网络侧通过RRC层的SIB消息下发给UE。比如sl20表示连续的20个slot，用于发送了preamble后，UE监听PDCCH信道是否存在网络侧回复的RAR。

网络侧在解码preamble时，也获得了该preamble的时频位置，进而知道了RAR中需要使用的RA-RNTI，将DCI用该RA-RNTI加扰后通过PDCCH发送出去，UE在PDCCH公共搜索空间上获取DCI信息，通过DCI指示的时频位置去检测PDSCH，并在PDSCH上解码所携带的RAR信息，当UE成功地接收到一个 RAR（使用前面介绍的 RA-RNTI 来解码），且该RAR中的preamble与UE发送的preamble相同时，则认为成功接收了RAR，获得了上行资源(UL grant)，可以发送上行数据了。

如下是一个典型RAR MAC PDU介绍：

• E表示extension bit，“0”和”1”代表后面是否会接着其他的MAC subPDU数据要传输；

• T表示type bit，“0”代表后续会传输backoff indicator信息，“1”代表后续会传输RAPID信息；

• R表示reserved bit，置为“0”；

• BI表示backoff indicator，指定了UE在RAR失败后重发preamble前需要等待的时间范围（在该时间区间内选取一个随机值），如果接入的UE多，则该值可以设置得大些；如果接入的UE少，该值就可以设置得小一些，以降低冲突的概率；

• RAPID表示random access preamble identifier，为网络侧在检测preamble时所得到的preamble index。如果UE发现该值与自己发送preamble时使用的索引相同，则认为成功接收到对应的RAR；

• UL Grant指示了用于承载Msg3的PUSCH的时频位置等信息；

• Temporary C-RNTI，用于在后续的随机接入过程中作为UE的ID标记；

• Timing Advance，用于指定 UE 上行同步所需要的时间调整量。

需要注意的是：1 个 RAR MAC PDU 包含 1 个或多个RAR。使用相同 PRACH 资源发送 preamble（preamble 不一定相同）的所有 UE 都监听相同的 RA-RNTI 加扰的 PDCCH，并接收相同的RAR MAC PDU，但不同 preamble index 对应不同的 RAR。不同 PRACH 资源（时频位置不同）发送的 preamble 对应的 RAR 不能复用到同一个 RAR MAC PDU 中。

这里还需要再介绍一下为什么需要配置timing advance：

随机接入过程的一个重要作用是上行同步，由于不同UE距离网络设备（比如基站）的距离不一样，传输时延不一样，会导致多径效应。为了保证上行传输的正交性，就要求来自同一子帧但不同频域资源（不同的RB）的不同UE的信号到达网络侧的时间基本上是对齐的，网络侧只要在循环前缀（cyclic prefix）范围内接收到UE所发送的上行数据，就能够正确地解码上行数据。这个同步是通过UE发送random access preamble序列，网络侧估计出时延，在下发的RAR中携带timing advance command给UE来完成的，UE根据timing advance command来调整发送时刻。

1.1.3 Msg3

Msg3在PUSCH上传输，采用HARQ机制，这里UE使用的PUSCH时频资源是通过Msg2中的UL grant所指示的。UE发送Msg3后会启动竞争解决定时器 (ra-ContentionResolutionTimer，网络侧通RRC层的SIB消息下发)持续地监听PDCCH。

在不同场景，Msg3 对应不同类型的消息：

a.初始接入，为 RRCSetupRequest；

b.重建，为RRCReestablishmentRequest；

c.从RRC Inactive接入，为RRCResumeRequest。

以初始接入为例：

如果网络侧配置了5G-S-TMSI，那么UE会将RRCSetupRequest中的ue-identity配置为ng-5G-S-TMSI-Part1，否则的话将一个0..239-1的随机数作为ue-identity。

1.1.4 Msg4

网络侧从众多Msg3中随机选择一个，将其封装成一个contention resolution identity MAC CE，用对应UE的TC-RNTI加扰后，通过PDCCH（携带了DCI format 1_0）发送出去，UE用TC-RNTI解扰PDCCH成功，且其中的内容与自己发送的UE ID一致，则认为完成了随机接入，后续将TC-RNTI变成C-RNTI，并通过PUCCH反馈ACK给网络侧，否则表示竞争解决失败，需要重新发起随机接入。

1.2 基于非竞争的随机接入

与CBRA基于竞争的随机接入不同，CFRA基于非竞争的随机接入的流程相对较为简单，在UE选择CFRA发起接入前，网络侧会给UE分配一个专属的preamble，使得UE在随机接入的过程中不会产生冲突。通过前面对基于竞争的随机接入的介绍，我们知道UE会存在接入失败的可能，这会加大业务传输的时延，而UE在基于非竞争的随机接入中有自己专属的preamble，保证了接入的成功性，可以缩短业务恢复的时间。值得一提的是，除了切换是通过RRC重配消息给UE分配一个preamble，其他CFRA场景则是通过PDCCH order来给UE配置preamble的。

CFRA主要用于切换、或者网络侧需要需要传输下行数据但是检测到了上行失步等场景，这里以最常见的切换为例，介绍一下CFRA的相关流程。

在满足了可以进行切换的场景，比如UE从本小区中心移动到了小区边缘，且UE上报的邻区信号高于门限，即可触发小区切换流程，大致流程如下：

1）原小区向target目标小区发送handover request；

2）目标小区经过admission control准入控制判决后，向原小区回复handover request acknowledge;

3）然后原小区会下发一条RRC重配消息给UE，该重配消息携带了一条分配给对应UE的专属preamble以及用于传输preamble的PRACH信道的时频资源，对应于CFRA过程中的Msg0，此外还包含了目标小区的Cell ID、频点、带宽、bearer等信息，以用于UE向目标小区发起接入，有点类似NSA下让UE接入NR的重配消息以及SA下SIB消息的内容；

4）UE根据Msg0的指示，在指定的PRACH资源上发送一个专属preamble用于向目标小区发起随机接入，对应于CFRA过程中的Msg1。网络侧收到Msg1后，根据Msg1计算上行timing advance，之后网络侧向UE发送RAR随机接入响应，随机接入响应中包含timing advance、用于配置PUSCH传输资源的UL grant等信息，对应于CFRA过程中的Msg2。当网络侧响应了一条RAR，UE就完成了在目标小区的接入，接着UE会返回一条RRCReconfigurationComplete的消息。

具体切换过程中的preamble是通过RRC重配消息中的RACH-ConfigDedicatedàCFRA-SSB-Resourceàra-PreambleIndex来指示：